Deaerazione altamente efficiente dei liquidi mediante ultrasuoni

Sebbene il degassamento o la rimozione dei gas siano spesso fasi di processo estremamente dispendiose in termini di tempo, il trattamento a ultrasuoni può accelerare significativamente la coalescenza delle bolle di gas e la loro risalita. La rimozione dei gas mediante ultrasuoni può essere effettuata in configurazioni batch e in linea e può anche essere combinata con tecniche di degassamento convenzionali, quali il gorgogliamento di gas inerti, i degassatori a girante, il riscaldamento o il vuoto, per aumentare l’efficienza e la velocità di rimozione dei gas.

Rimozione dei gas dai liquidi

I termini deaerazione, degassamento e rimozione dei gas si riferiscono all’eliminazione dei gas liberi e disciolti, in particolare dei gas reattivi come l’ossigeno o la CO2, da un fluido. L’eliminazione dell’ossigeno è importante per prevenire alterazioni dannose del prodotto finale e migliorare le lavorazioni successive. Il degassamento è una fase di processo necessaria per molte applicazioni e molti settori. Nella produzione industriale, il degassamento è una fase di processo comune per garantire la stabilità e la qualità del prodotto e il mantenimento costante degli standard di prodotto. L’ossigeno è un fattore che influenza la qualità e la stabilità del prodotto a vari livelli.
Pertanto, la deaerazione è una fase di processo consolidata nell’industria alimentare e delle bevande, chimica, farmaceutica e cosmetica. Anche nei laboratori, tuttavia, i campioni richiedono spesso il degassamento prima dell’analisi, ad esempio prima di HPLC, saggi, misurazioni delle particelle ecc.
I processi di miscelazione che utilizzano, ad esempio, miscelatori a lame ad alto taglio o a girante rotante rendono spesso necessario il successivo degassamento del prodotto, poiché queste tecniche di miscelazione introducono comunemente grandi quantità di gas nel prodotto. Tali inclusioni di gas e aria hanno solitamente effetti negativi sul prodotto, poiché possono far irrancidire grassi e oli, deteriorare i prodotti per ossidazione, causare scolorimento e alterazioni indesiderate dell’odore e del sapore. Poiché i prodotti degassati sono chimicamente più stabili e hanno una durata di conservazione maggiore, il degassamento è una fase di processo essenziale che richiede una tecnica affidabile.
 

Degassamento a ultrasuoni: le bolle di gas intrappolate vengono rimosse dall’olio utilizzando il sonicatore UP400St

Degassamento e deaerazione a ultrasuoni

Il degassamento e la deaerazione a ultrasuoni rappresentano un’alternativa altamente efficace ai metodi tradizionali di degassamento dei liquidi, che comprendono l’ebollizione, la riduzione della pressione fino al vuoto o il gorgogliamento di gas inerti. Questi metodi tradizionali di degassamento presentano spesso svantaggi quali la degradazione termica dovuta al riscaldamento, lavorazioni dispendiose in termini di tempo ed energia e/o una rimozione insufficiente dei gas. Il degassamento a ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica. Quando onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate a un liquido, il liquido viene rispettivamente compresso ed espanso durante i cicli di alta e bassa pressione. Durante i cicli di bassa pressione si creano minuscole bolle di vuoto, le cosiddette bolle di cavitazione, che crescono nel corso di diversi cicli di pressione. Durante questi cicli di crescita delle bolle, i gas disciolti nel liquido entrano nelle bolle di vuoto, trasformandole in bolle di gas in crescita. Inoltre, le microturbolenze e i getti di liquido causano un’intensa agitazione e un intenso trasferimento di massa. Queste condizioni generate dagli ultrasuoni provocano la coalescenza delle bolle di gas, ossia l’unione di piccole bolle di gas disciolto in bolle di gas più grandi, che risalgono rapidamente alla superficie del liquido, dove fuoriescono dal liquido.
Le variazioni di temperatura causate dalle vibrazioni ultrasoniche e dalla cavitazione sono confinate a spazi locali molto piccoli e l’aumento della temperatura nell’intero volume può essere trascurato, poiché non interferisce con la qualità del prodotto.
 

Diminuzione dell’ossigeno disciolto nel tempo a una frequenza ultrasonica di 24 kHz utilizzando il sonicatore UP400ST ad ampiezze del 100 %, 80 %, 60 %, 40% e 20 %.
Studio: ©Rognerud et al., 2020.

 
A seconda del volume, della viscosità e delle inclusioni di gas nel liquido o nella sospensione, la deaerazione a ultrasuoni può essere eseguita come processo batch o in linea. Una sonda a ultrasuoni ad alta potenza genera cavitazione acustica nel liquido, che viene così degassato in modo efficiente.
Il degassamento a ultrasuoni può anche essere implementato per migliorare sistemi di degassamento già esistenti, come il riscaldamento, il vuoto o il gorgogliamento di gas.
Il degassamento e la rimozione della schiuma mediante ultrasuoni vengono utilizzati su scala industriale per rimuovere i gas disciolti da acqua, oli, alimenti e bevande, soluzioni chimiche, fluidi idraulici, liquidi refrigeranti, fluidi di perforazione, petrolio greggio, emulsioni, pitture, inchiostri, adesivi, vernici, rivestimenti, resine epossidiche, shampoo, detergenti e molti altri prodotti.
 

Degassamento a ultrasuoni mediante una configurazione con cella di flusso. Questo esperimento utilizzava un prototipo di circuito idrico su piccola scala con un volume di 0,8 galloni, una portata di gas inerte di 0,2 sfcm/min e un’intensità di 275 W/cm2. Questo mostra una riduzione del tempo di rimozione dell’ossigeno di circa il 70%.
Studio e immagine: Rubio et al. 2016

Degassamento a ultrasuoni in una configurazione in linea utilizzando il sonicatore UIP1000hdT con cella di flusso.

Gorgogliamento di gas potenziato dagli ultrasuoni

Il gorgogliamento di gas inerte nei liquidi, noto anche come spurgo con gas inerte, è un trattamento comune per rimuovere dal liquido gas indesiderati come l’ossigeno e l’anidride carbonica. Per le applicazioni di gorgogliamento si utilizzano comunemente azoto, argon, elio e altri gas inerti. Far gorgogliare in una soluzione un gas ad alta purezza, generalmente inerte, può estrarre gas disciolti indesiderati, generalmente reattivi, come l’ossigeno e l’anidride carbonica. Il processo di gorgogliamento si basa sul trasferimento di massa ed è di per sé una procedura piuttosto lenta. Per intensificare il gorgogliamento di gas inerti, la soluzione liquido-gas viene spesso agitata vigorosamente e sottoposta a gorgogliamento per un lungo periodo. Il trattamento a ultrasuoni è una tecnica che intensifica il degassamento, migliorando il trasferimento di massa e quindi significativamente il gorgogliamento. Quando onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate a liquidi o sospensioni, si generano bolle di cavitazione. Queste bolle di cavitazione frammentano le bolle più grandi del gas di spurgo in bolle piccole e le disperdono uniformemente, producendo effetti di degassamento più rapidi e più completi. L’intensa agitazione e le turbolenze create dal trattamento a ultrasuoni favoriscono il trasferimento di massa gas-liquido e quindi la rapida rimozione dei gas indesiderati.
Per accelerare e rendere più efficiente la procedura di gorgogliamento, si utilizzano ultrasuoni ad alte prestazioni per migliorare, mediante effetti sonomeccanici, le prestazioni del trasferimento di massa tra gas e liquido. Gli effetti sonomeccanici generati dalla cavitazione acustica comprendono differenze locali di pressione e temperatura, microturbolenze e agitazione. Queste forze migliorano le prestazioni di degassamento contribuendo ad aumentare il trasferimento di massa per diffusione grazie alla frammentazione delle bolle, alla dispersione e al conseguente aumento dell’area interfacciale, che infine determinano una rapida rimozione dei gas intrappolati nel liquido.
Per ottenere gli effetti desiderati di rimozione dei gas, è necessario un trattamento a ultrasuoni ad alta potenza. Quando in un liquido viene fatto gorgogliare un gas inerte in un flusso bifase, è auspicabile la diffusione rettificata per aumentare il trasferimento di massa e la velocità di rimozione dei gas disciolti. L’applicazione della diffusione rettificata può essere difficile perché le bolle di gas intrappolato e disciolto tendono a evitare l’ingresso nel campo di cavitazione ultrasonica a intensità più basse. Tuttavia, a intensità elevate, superiori a 300 W/cm² a circa 20 kHz, le bolle di gas non evitano più la zona di cavitazione e vengono frammentate dalle forze sonomeccaniche. (cfr. Jagannathan et al. 2011)

Sistemi di degassamento a ultrasuoni ad alta potenza

Hielscher Ultrasonics è un produttore con una lunga esperienza nella realizzazione di apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni utilizzate in tutto il mondo nei laboratori e nella produzione industriale. Il degassamento di liquidi e sospensioni è un’applicazione impegnativa che richiede sonde a ultrasuoni ad alta potenza in grado di accoppiare ai liquidi ampiezze impostate per rimuovere le bolle di gas intrappolate e le sacche d’aria. Tutti i dispositivi a ultrasuoni Hielscher sono progettati e realizzati per funzionare 24/7 a pieno carico. I processori a ultrasuoni sono disponibili dai sonicatori da laboratorio compatti da 50 watt ai potenti sistemi a ultrasuoni in linea da 16.000 watt. Un’ampia varietà di amplificatori di ampiezza, sonotrodi e celle di flusso consente di configurare individualmente un sistema di degassamento a ultrasuoni in funzione del liquido, della viscosità e delle inclusioni di gas.
Per la deaerazione e la rimozione dei gas dai metalli liquidi sono necessarie ampiezze impostate e mantenute con precisione. Hielscher Ultrasonics produce sonde a ultrasuoni ad alte prestazioni con specifiche di ampiezza e temperatura altamente ottimizzate per il processo. Se la vostra applicazione di degassamento richiede specifiche particolari, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni gravose e in ambienti impegnativi.

Processi batch e in linea

Le sonde a ultrasuoni Hielscher per il degassamento possono essere utilizzate per il degassamento e la deaerazione in processi batch e continui in linea. A seconda del volume, della viscosità e dei gas intrappolati, vi consiglieremo la configurazione più adatta per la rimozione dei gas mediante ultrasuoni.

Sonde a ultrasuoni per il degassamento di qualsiasi volume

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l’intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai sonicatori da laboratorio compatti ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare ogni ora volumi equivalenti al carico di più camion. La gamma completa di prodotti ci consente di offrirvi le apparecchiature di degassamento a ultrasuoni più adatte al vostro liquido, alla capacità di processo e agli obiettivi di produzione.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i sistemi di degassamento a ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e sono quindi strumenti di lavoro affidabili. L’ampiezza è uno dei parametri di processo fondamentali che influenzano l’efficienza e l’efficacia del degassamento indotto da effetti sonomeccanici. Tutti i processori Hielscher Ultrasonics consentono di impostare con precisione l’ampiezza. I sonotrodi e gli amplificatori di ampiezza sono accessori che consentono di modificare l’ampiezza entro un intervallo ancora più ampio. I processori a ultrasuoni industriali Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate e fornire l’intensità ultrasonica necessaria per applicazioni impegnative. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in modo continuo durante il funzionamento 24/7.
Le impostazioni precise dell’ampiezza e il monitoraggio costante dei parametri del processo a ultrasuoni mediante software intelligente vi consentono di regolare i parametri del processo a ultrasuoni per ottenere il degassamento a ultrasuoni più efficace. Sonicazione ottimale per una rimozione dei gas altamente efficiente!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni gravose e in ambienti impegnativi. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher strumenti di lavoro affidabili che soddisfano i requisiti del vostro processo di deaerazione.

Massima qualità – Progettati e prodotti in Germania

In quanto azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard di qualità per i propri processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori sono progettati, prodotti e accuratamente collaudati presso la nostra sede di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno strumenti di lavoro instancabili nella vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti impegnativi è una caratteristica intrinseca dei degassatori ad alte prestazioni Hielscher.